植物科学最前線 7:55 (2016)㌴㍈⸴ࢡࣞࣈࢯ࣑ࣝࢹ࢕࣒࢘ࡢࢤࣀ࣒࠿ࡽぢࡓ᳜≀ࡢ㝣ୖ໬
堀孝一 1, 太田啓之 1,2
1
東京工業大学・大学院生命理工学研究科
現在の所属：東京工業大学・生命理工学院〒226-8501 横浜市緑区長津田町 4259 B-65
2東京工業大学・地球生命研究所〒152-8550 東京都目黒区大岡山 2-12-1-IE-1
Koichi Hori1 & Hiroyuki Ohta1,2
Klebsormidium flaccidum genome reveals genome evolution for plant terrestrial adaptation
Key words: charophyte, klebsormidium, genome analysis, land colonization
1

Tokyo Institute of Technology, Department of Biological Sciences.

Present address : Tokyo Institute of Technology, School of Life Science and Technology
2

Tokyo Institute of Technology, Earth-Life Science Institute.

地球における生命の歴史において，生命の陸上進出は多様な種を生み出し，現在の生物多様性の礎となっている。最初の生命の陸上進出の過程はいまだ不明な点が多く，植物よりはるか先にバクテリアの陸上進出があったと考えられている(Battistuzzi & Hedges 2009)。しかしながら，動物をはじめとした複雑な陸上生物を発達させ，今日の地球環境を形成するに至った直接の原動力として，光合成によって二酸化炭素を固定し有機物を合成できる植物の陸上進出は大きな役割を果たした事は確かである。本総説では植物の陸上化を解明するにあたって 重 要 な 位 置 づ け に あ る 車 軸 藻 植 物 門 の う ち ， ク レ ブ ソ ル ミ デ ィ ウ ム (Klebsormidium
flaccidum)のゲノム解読と他生物との比較の結果を紹介する。

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植物の陸上進出がいつ起きたのかは定かではなく，分子系統解析から有胚植物（陸上植物）の出現の推定年代も諸説あるのが現状である。しかしながら，分子系統解析と胞子の化石より約 4 億 7 千万年前にはすでに現生の陸上植物の共通祖先は誕生していたと考えられている(Rubinstein et al. 2010, Clarke et al. 2011, Magallón et al. 2013, Edwards & Kenrick 2015)。
陸上は，乾燥はもちろん強い紫外線，大きな温度変化，重力，栄養の欠乏など様々なストレスが存在する過酷な環境であり，植物が陸上進出するにあたって，これらのストレスに適応する必要があったと思われる。植物の陸上化はこのような当時の陸上環境に大きく影響を受ける一方，酸素濃度の増大(Parnell & Foster 2012)，二酸化炭素固定，風化作用や堆積(Scott &Glasspool 2006)など地球環境の形成に大きく寄与し，相互に深く影響を及ぼしあったと考えられる。

K. Hori & H. Ohta-1

BSJ-Review 7:55 (2016)

植物科学最前線 7:56 (2016)㸰㸬㝣ୖ᳜≀ࡢ㉳※
陸上植物は緑色藻類の一群から分岐し，現在の多様な陸上植物へと発展してきたが，どのような植物が陸上に進出し，どうやって陸上環境に適応し発展を遂げていったのだろうか。
その解明には陸上植物に近い藻類の特性を明らかにし，他の藻類や陸上植物と比較することが重要なアプローチの一つとして期待される。
多様な藻類が存在する中で細胞分裂の特徴や系統解析から車軸藻植物門(Charophyta)に属する藻類が陸上植物に最も近いと考えられている(Lewis & McCourt 2004, Leliaert et al.,2012) 。
（車軸藻植物は多系統群であり，分類上の表記はまだ統一されてはないが，本稿ではLewis & McCourt 2004 の分類に基づき車軸藻植物の分類を表記した。
）車軸藻植物門はクロロ
キブス藻綱，クレブソルミディウム藻綱，コレオケーテ藻綱，接合藻綱，シャジク藻綱の 5つの綱が含まれる（図１）。このなかで後者の 3 つは特に陸上植物に近いとされ，そのうちどの綱が陸上植物の姉妹群であるかは長らく議論が続いてきた。近年，転写産物情報の蓄積とともに，より精度の高い解析が行われ，現在は接合藻綱が陸上植物の姉妹群とする説が有力となっている (Timme et al. 2012, Wickett et al. 2014) 。実際，31 種類の保存された配列に基づいた図１の解析結果もそれを支持している。
我々は陸上化にいたる過程のより初期に，どのような遺伝子を獲得したのかという観点で植物の陸上進出について研究を進める事を考え，これらの車軸藻植物のうち比較的初期に分岐し，多細胞性であるがシンプルな体制を持つクレブソルミディウムのゲノム解読を進めた。
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図１ 31 種類の保存されたタンパク質による系統樹
21 生物種に共通して保存された核コードのタンパク質配列（一部 EST 配列から推定）を基に作成した最尤系統樹 (Hori et al. 2014. Fig. 2 を改変)㸱㸬ࢡࣞࣈࢯ࣑ࣝࢹ࢕࣒࢘࡜ࡣ
クレブソルミディウムは糸状性の多細胞の藻類であり，遊走子による無性生殖は報告されているが，細胞分化や有性生殖は報告されていない（図２a）。生息環境は淡水および陸上の湿潤な環境であり，世界中に分布する。藻類ではあるが，ある程度陸上環境に適応した気生藻類であり，乾燥(Morison & Sheath 1985, Elster et al. 2008, Karsten & Holzinger 2012)や凍結
K. Hori & H. Ohta-2
BSJ-Review 7:56 (2016)

植物科学最前線 7:57 (2016)(Elster eet al. 2008, Nagao
N
et al. 2008)などス
2
トレスの強強い環境でももある程度耐耐え，環境がが良くなると再びび増殖する事事ができる。
。非常に身
身近な藻類ででもあり，直直遮光の当た
たらないコンンクリー
ト壁や路路面などで水水抜きパイプの脇など
ど湿気の多い所
所にしばしば
ば群集を形成成している （図２b, c）。
。どのような
な機構により，陸上環環境へ適応してているのか明明らかではないが，陸陸上環境への適適応を明らか
かにしていくうえで非非常に興味深いい。ただし，，クレブソルルミディウ ムと陸上植物物が分岐しててから，クレブソルミ ディ
ウムも独
独自の進化をを遂げており，クレブ
ブソル
ミディウ
ウムと陸上植植物に共通している形
形質が，
真に共通
通派生形質でであるのか注
注意を払う 必要がある。

図２クレブソ図ルミディウムムの顕微鏡写写真
a. K.
K flaccidum NIES-2285
N
株 （固体培地にてて生育）
b. クレブソルミ
ミディウムと思思われる藻類類が生育していたコンク
クリート路面
c. (b)から採取しした藻類の顕微
微鏡写真

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㍈⸴᳜≀㛛
㛛 Klebsorm
midium flacccidum㸦ࢡࣞࣞࣈࢯ࣑ࣝࢹ࢕࣒࢘㸧
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我々は
は国立環境研研究所微生物
物系統保存
存施設より分
分譲を受ける
ることができきる Klebsorrmidium
flaccidumm NIES-22885 株（以下本稿では K
K. flaccidum NIES-2285 株をクレブ
ブソルミディ
ィウムと
表記した
た。
）を用い
いてドラフトトゲノム配列列の解読を行行った。ゲノノム解読にはは 454 GS FLX Tit
anium と Illumina GAIIx
Gの超並列シーケ ンサーを用用いて約 6.1 Gb のゲノ ム配列と，約 578
Mb の転転写産物配列列を取得したた。これらのの配列をアセ
センブルした
た結果約 1004 Mbp（18812 scaff
olds, ピピークカバー
ー率:40 倍）のの核ゲノム配配列と葉緑緑体ゲノム（約 181 kbp）
）
，ミトコン
ンドリア
ゲノム（約 106 kbpp），転写産物（17,422 座位, 約 21 Mb）を再再構築する事事ができた。クレブ
ソルミデ
ディウムの核
核ゲノムサイイズは核の 蛍光染色像
像から約 117 Mbp 程度とと推定され，，フォス
ミドライ
イブラリーのの端読みの結果 20%強
強程度の反復復配列領域ががあると推定定されたことから，
配列決定定が困難な反反復配列領域
域などを除
除いてゲノムムのほぼ全域
域の解読が完完了した。つついで転
写産物情
情報や配列解解析などからタンパク 質をコード
ドする核ゲノムの 16,0633 遺伝子，葉緑体の葉117 遺伝伝子，ミトココンドリアのの 35 遺伝子子を予測し，既知の機能能が明らかなな遺伝子とのの類似性などからら，これら 16,215
1
遺伝子の機能予予測を行ったた(Hori et al. 2014, httpp://www.plan
ntmorphogenesis.bbio.titech.ac..jp/~algae_geenome_projeect/klebsorm
midium/)。

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ゲノム
ム解析の次のの段階として，クレブ ソルミディウムの遺伝
伝子を 5 種のの陸上植物おおよび 9種の藻類類と比較したた。これらの生物の全全タンパク質
質配列をクララスタリンググし，比較生生物種内においてて，藻類のみみに存在するタンパク 質か陸上植植物のみに存存在するタンンパク質か分
分類を行った結果
果，クレブソ
ソルミディウムの 1,2338 タンパク質（約 8 %）は陸上植%植物に特異的的である
事が明ららかとなったた（図３）。また各生物
物種内の類似似遺伝子を遺遺伝子ファミミリーとしててまとめると，陸陸上植物は藻
藻類より多くの遺伝子子を保持してているが，主主に遺伝子重重複により遺遺伝子数が増加ししていることが，総遺伝
伝子数と遺遺伝子ファミリー数をププロットする
る事ではっききりと見
K. H
Hori & H. Oh
hta-3

BSJ-Review 7:57 (2016)

植物科学最前線 7:58 (2016)

図３
３ 15 生物種
種間での遺伝子比較15 生
生物種の全タン
ンパク質配列ををクラスタリン
ングし，クラス
スター内の他生
生物種のタンパ
パク質が,藻類
類と陸上植物ののどちらに特有
有であるかを基基にして分類をを行った。 (Hoori et al. 2014. FFig. 3a を改変)

て取れる
る（図４）
。クレブソルク
ミディウム は他の藻類類と遺伝子数数あたりの遺遺伝子ファミ
ミリー数
はあまりり変わらなか
かったことから，遺伝
伝子重複は植植物が組織分
分化を獲得しし，陸上の複複雑な環境に応答答していく過過程で有効に働いたの ではないか
かと考えられれる。しかししながら基部
部陸上植物である
るゼニゴケはは遺伝子の重重複が少な いとの報告
告もあり（大大和・河内, 22012）
，遺伝
伝子重複
の推移と
と植物の陸上上化の関与を明らかに するためににはより多くの車軸藻植植物と基部陸陸上植物の比較解解析がキーポポイントとなっていく であろう。

図 4 15 生物種の総総遺伝子数と数のプロット遺伝子ファミリー数
各生物種内の類似遺遺伝子を遺伝子子子
ファミリーとしてま とめ，総遺伝子と遺伝子ファミリー
ー数でプロッ ト
藻類は図３と同同じ種を使用しした。藻ている。
。点線は藻類ののプロットの近
近
似曲線で
である。

また我
我々は遺伝子子ファミリー
ーのほか， タンパク質質を構成するるパーツと考考えられるタタンパク
質ドメイ
インの構成にについても比比較解析を 行った。各各生物種のドドメインの種
種類数や，そその組み
合わせパパターンと総総遺伝子数をプロット した結果，ドメインのの種類数は陸陸上植物ですすでに頭打ちにななっているがが，その組みみ合わせパ ターンは被被子植物でささらに増加ししていることとが明らかとなっった（図５）。また解析
析した 5 種のの陸上植物にに共通するドドメインや，その組み合
合わせパ
ターンを
を藻類がどれれだけ獲得しているかかを調べた結結果，クレブブソルミディ
ィウムでは陸陸上植物に共通す
する 90.7%ののドメインと 84.3%の ドメインのの組み合わせせパターンをを獲得しておおり，他の藻類よ
より 2〜3 割程度高いこ割
ことが分かっった（図６）。これらののことはクレレブソルミデディウム
が陸上植植物に共通ののタンパク質質の機能を 作るうえでで多くの基本
本的なパーツツをすでに獲獲得してK. H
Hori & H. Oh
hta-4
BSJ-Review 7:58 (2016)

植物科学最前線 7:59 (2016)

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図５ 15 生物種の総遺伝子数とドメインの種類数およびドメイ
ンの組み合わせ数のプロット
各生物種内の全タンパク質の pfamAおよび pfamB を検索し，ドメインの種類数および組み合わせパターンをカウントした。藻類は図３と同じ種を使用している。多くの藻類において，ドメインの種類数よりもドメインの組み合わせパターンが少なくなっているのは，ドメインの組み合わせパターンが少なく決まった組合せが多いためである。

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図６ 陸上植物に共通する
ドメインおよびドメインの組み合わせの獲得率
ヒメツリガネゴケ，イヌカタヒ
バ，イネ，ポプラ，シロイヌナ
ズナに共通する pfam ドメイン
(4,894 ドメイン)および，ドメイ
ンの組み合わせパターン(2,801
パターン)のうちそれぞれの藻類で獲得している割合。

0.0

いることを意味する。クレブソルミディウムは車軸藻植物の中で早いうちに分岐し，非常にシンプルな体制であるにもかかわらず，陸上植物特有の様々なシステムを，原始的な形であったとしても予想以上に獲得しているかもしれない。
以上の結果をまとめると，植物が陸上に適応していく過程で遺伝子の多様性の獲得は，次の 3 段階のステップに分けられると考えられる（図７）。
i) 陸上植物の共通祖先である緑藻からクレブソルミディウムが分岐するまでの間は遺伝子数の増加が遺伝子の種類の増加をもたらしたと考えられる。
ii) コケ，シダ植物のように陸上環境により適応し，組織分化が形成されるには，同遺伝子族の中でバリエーションを増加させ，細かな機能調節や発現調節を可能にしたと考えられる。
iii) 種子植物のような高度な陸上環境への適応と組織分化を可能にするには既存のパーツの新しい組み合わせを生み出し，新しい機能の遺伝子を生み出したことが重要だったと考えられる。
このような過程の中でクレブソルミディウムの祖先は，陸上植物が多細胞体の構築や陸上環境に適応するために発達させていった遺伝子，あるいはそのパーツの多くをすでに獲得していた事が推定された。

K. Hori & H. Ohta-5

BSJ-Review 7:59 (2016)

植物科学最前線 7:60 (2016)

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植物
物の陸上化の 過程と遺伝子子多様性の獲獲得㸴㸬ࢡࢡࣞࣈࢯ࣑ࣝࢹ࢕࣒࢘
࣒࡟࠾ࡅࡿ ᳜≀࣍ࣝࣔࣔࣥ㛵㐃ᅉᏊ
クレブ
ブソルミディ
ィウムの遺伝伝子と藻類類，陸上植物
物の遺伝子をを比較した結結果，情報伝伝達，環境応答，細胞壁合成
成，植物ホルルモン関連
連因子などにに関わる因子
子に，陸上植植物で大幅にに増加しているもものや，陸上上植物特異的的なものが 多い傾向がが明らかとななった(Hori eet al. 2014)。
中でもも植物ホルモモン情報伝達達は陸上植
植物の環境応応答においてて重要な役割割を担っていいる。そこでクレ
レブソルミデディウムにおおいて植物
物ホルモンのの合成系遺伝
伝子を探索しした結果，主主要な植物ホルモ
モン合成系がが存在していいることが 推定されたた。またクレレブソルミデディウムの植植物ホルモンの測測定を行った
た結果，オーーキシン， アブシジンン酸，サイトトカイニン， ジャスモン
ン酸，サ
リチル酸
酸と多数の植植物ホルモンがクレブ
ブソルミディウムに存在在することがが明らかとななった。
さらに植植物ホルモン
ンのシグナルル情報伝達
達系の関連因因子の詳細なな解析を行っ
った結果，いいくつかの受容体
体，輸送系やや情報伝達系
系が存在し ており，クレブソルミディウムににおいても何
何らかの
植物ホル
ルモン応答がが存在していいることが 示唆された
た（図８）
。
その一
一方で TIR11（オーキシシン受容体），，COI1（ジジャスモン酸酸受容体）ななどのユビキキチン依
存 性タ ン パク 質分
分解 を介 し た情 報伝 達
達経路 の多多 くが存 在しし ておら ず
ず， ABA 受容
受 体の
PYR/PYYL/RCAR も存在していいないことがが明らかとな
なった。これれらの受容体体は，現在のの植物ホルモン情情報伝達におおいて主要な経路を担担っていると考えられてており，植物
物ホルモン間
間のクロ
ストーク
クを生み出すす経路としても知られれている。クレブソルミディウムのの植物ホルモモン伝達
経路は陸陸上植物の主主要な情報伝伝達経路を 獲得する前
前段階にある
ると考えられ
れ，陸上植物
物の主要な経路ととは異なったた原始的な植植物ホルモ ン伝達経路路である可能能性が考えらられる。次の課題は，
クレブソ
ソルミディウ
ウムの植物ホルモンの 作用や伝達達経路を明ららかにし，植植物が陸上にに進出する過程でで，植物ホルルモンの起源
源や役割を どのようにに発達させててきたか解明明していくこことである。
K. H
Hori & H. Oh
hta-6

BSJ-Review 7:60 (2016)

植物科学最前線 7:61 (2016)४ক५ঔথ෷
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図８

クレブソルミディウムに検出された植物ホルモンと類似遺伝子が見出された
情報伝達因子植物ホルモンのうち検出されたものは水色のボックスで示した。エチレンは未測定である。陸上植物で明らかとなっている情報伝達因子のうち，クレブソルミディウムで類似遺伝子が存在していたものを緑で示した。点線は類似遺伝子が見つかっていない。

㸵㸬ࢡࣞࣈࢯ࣑ࣝࢹ࢕࣒࢘࡟࠾ࡅࡿ㌿෗ᅉᏊ
植物ホルモンの他に，転写因子も環境応答に関わる非常に重要な因子である。Plant
Transcription Factor Database v3.0 (Jin et al. 2013)の分類法に基づいて 58 種類の転写因子の同定を行った結果，クレブソルミディウムから 266 遺伝子の転写因子が同定された（図９）。他の藻類と比べると若干多いものの，陸上植物と比較すると圧倒的に少ない。全遺伝子に占める割合も約 1.5%と他の藻類と同程度であり，陸上植物の全遺伝子に占める転写因子の割合より少ないものであった。しかしながらその種類を比較すると，他の藻類より格段にバリエーシ
ョンが増えていることがわかる（図１０a）。またクレブソルミディウムと陸上植物の共通祖
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図９

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15 生物種において検出された転写因子数

図内の数値は全遺伝子に占める転写因子の割合を示す。

K. Hori & H. Ohta-7

BSJ-Review 7:61 (2016)

植物科学最前線 7:62 (2016)

先が分岐した後にも転写因子の種類の増加がみられ，植物の陸上化の前後で転写因子の種類，数が増加し，多様な遺伝子制御を身に着けたことが伺える。さらに転写因子に限ったドメイ
ンの組み合わせ数をプロットした結果，被子植物ではドメインの組み合わせパターンを増加させており，転写因子の多様化は項目５で述べた遺伝子の多様性の獲得過程の典型的な例と考えられた（図１０b）。このような転写因子の種類増加や，組み合わせパターンの増加は，急激に遺伝子ネットワークを指数的に複雑化させた事は間違いないであろう。このことは，
陸上に進出した植物が，様々なストレス環境に柔軟に適応し，様々な組織を分化させ，多様な細胞の状態を実現できるようになった大きな要因と考えられる。以上の結果から，陸上植物との車軸藻植物の共通祖先のなかで，比較的早くに分岐したクレブソルミディウムがシン
プルな体制を持つにもかかわらず，陸上植物の礎となる基本的な遺伝子制御ネットワークを獲得しており，陸上環境に適応していく過程で遺伝子重複とドメインの組み合わせ方を利用して，既存の遺伝子制御ネットワークを転用して発達させていったという陸上進出のための戦略が見えてくる。今後植物ホルモンの発達と同様，クレブソルミディウムの転写因子が何に応答し，何を制御しているのか明らかにすることが重要となってくると思われる。

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15 生物種の転写因子の種類数，ドメインの組み合わせ数と総遺伝子数の関係

各生物種内の転写因子の種類数と総遺伝子数のプロット
各生物種内の転写因子におけるドメインの組み合わせ数と総遺伝子数のプロット㸶㸬௒ᚋࡢᒎᮃ
クレブソルミディウムのゲノム解読により，植物の陸上進出前の段階ですでに陸上化を可能とするような因子が出現していることが分かってきた。クレブソルミディウム以外にも車軸藻植物のゲノム解読が進んでおり，今後陸上進出の過程で起きたゲノムの変化をより詳細に調べることができるようになっていくだろう。今後さらに植物の陸上化を明らかにしていくためには，これらの因子が陸上化前の車軸藻植物にどのような影響を与えたのか解明する
ことが次の段階であると思われる。車軸藻植物は淡水と陸上との際に生息しているものが多く，部分的ながらこれらの因子が半陸上状態の生育に有利であり，徐々により厳しい陸上環
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境に生育を広げていくにあたって，機能の多様化や強化を成し遂げた事が考えられる。また他の可能性として，前適応として共通祖先では異なる機能を担っており，陸上化にあたって
予想外に有利に働いた因子がある可能性も考えられる。個々の具体的な因子の進化過程を明らかにするためには，実験的にその機能を実証することが必要であり，遺伝子操作系を確立
し，培養法，実験系もより扱いやすくしていくことが必須である。このことは植物の陸上化の解明のみならず藻類研究の発展にも大きく貢献するであろう。車軸藻植物門では接合藻綱のヒメミカヅキモ，タテブエが，それぞれパーティクルボンバードメント法，アグロバクテ
リウム法によって形質転換に成功しており(Abe et al. 2011, Sørensen et al. 2014)，我々もクレブ
ソルミディウムで急ぎ形質転換系の確立を進めている。今後クレブソルミディウムを初めとして様々な車軸藻植物がモデル藻類として確立し，植物の陸上化を含め，生物進化のありかたが垣間見えることを期待している。

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本研究は日本学術振興会，平成２１年度～平成２５年度グローバル COE プログラム「地球から地球たちへ」の一環として推進され，平成２３年度から現在まで科学技術振興機構，戦略的創造研究推進事業(CREST) 「植物栄養細胞をモデルとした藻類脂質生産系の戦略的構築」の一環として加速的に推進されている。また一部は平成２４年度からの文部科学省ＷＰＩプ
ログラム，地球生命研究所に引き継がれている。なお Klebsormidium flaccidum NIES-2285
は国立環境研究所，微生物系統保存施設より分譲頂いた。また本研究はクレブソルミディウ
ム解析チーム(http://www.plantmorphogenesis.bio.titech.ac.jp/~algae_genome_project/klebsormidiu
m/kf_team.htm)による共同研究であり，全員の多大な貢献があっての研究となった。ここに記して深く感謝の意を表したい。

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